大型海洋污损生物对金属材料腐蚀影响及研究展望

2013年第39卷第1l期工业安全与环保

N ovem ber2013I ndust r i al Saf et y a nd Envi r onm e nt al Pr o t ect i on69

大型海洋污损生物对金属材料腐蚀影响及研究展望*杨天笑1严涛2陈池1曹文浩2陈如江1程志强2胡煜峰2

(1．中海石油(中国)有限公司番禺作业公司广东深圳518067；

2．中国科学院南海海洋研究所广州510301)

摘要生物污损和腐蚀是海洋环境中常见的自然现象，会妨碍人们开展各种海洋活动。综述了藤壶、牡蛎、苔藓虫、蜾赢蜚和海藻等大型海洋污损生物的附着对金属材料腐蚀的影响及相关作用机理，并对进一步

的问题进行探讨。

关键词大型污损生物金属腐蚀

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0引言

腐蚀是金属材料表面与环境因子之间发生相互作用的电化学过程【1J，是一种常见的破坏形式。世界各国每年因腐蚀而造成的直接经济损失约占其G D P总量的3％．5％，远超过自然灾害和人为因素所造成的损失之和【2|。

海水是自然界中数量巨大、具备强腐蚀性和高生物活性的天然电解质溶液体系，由其产生的海洋腐蚀现象一直是个全球性问题。随着我国海洋经济产业的快速发展，海洋腐蚀与控制越来越受到人们的重视。

海洋污损生物则是指固着或栖息在船舶和各种人工设施水下固体表面上，对人类活动产生不利影响的动物、植物和微生物的总称，是增加作业成本、影响设施安全和缩短使用年限的重要因素旧J。

海洋环境中除了数量繁多、分布广泛的微型生物(如硅藻和微生物等)外，还栖息着许多营固着生活的大型种类，如无柄蔓足类、双壳类软体动物、腔肠动物、管栖多毛类、海鞘和苔藓虫。

生物附着污损会改变金属表面的化学介质成分和电化学微环境，对腐蚀过程产生影响。然而，相对

*基金项目：国家自然科学基金(N o：41176102)。微生物与腐蚀而言，涉及大型污损生物对金属腐蚀影响的文献较少，故对其进行综合叙述和探讨进一步的工作极为必要。

1大型污损生物附着的影响

1．1无柄蔓足类

无柄蔓足类通常称为藤壶，呈锥形，具钙质壳板，底盘通过自身分泌的生物胶紧密牢固地黏附在附着基表面，是沿岸海域最为常见的污损生物类群，成群附着在船舶和海上设施水下部位H oJ。

藤壶附着所形成的生物覆盖层对碳钢和不锈钢具备一定的保护作用，能防止金属材料质量亏损，降低其均匀腐蚀速度，但是局部腐蚀发生率却会明显增加[6-8]，如引发沿藤壶底盘边缘的缝隙腐蚀等等[9|。

另外，死亡的藤壶个体还会诱发“开花腐蚀”现象的发生，并在其底盘下的金属材料表面产生明显的蚀斑和点蚀【10-12I。至于钛等耐蚀性强的金属材料，未见藤壶附着对其产生明显影响【11,13J。

1．2牡蛎

牡蛎为滤食性动物，其贝壳左右两壳不等，形态变化很大，左壳稍大而深，固着于附着基上；右壳稍

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小而平，盖于左壳之上；足退化，无足丝。自壳顶幼虫结束浮游期附着变态后，终生不再移动。

牡蛎于附着基表面形成的生物覆盖层可构成保护屏障，避免和减小泥沙水流对金属材料表面的直接冲刷，同时在一定程度上阻挡了海水中溶解氧向其传递扩散，从而使金属腐蚀速度变缓[14]。

然而，由于贝壳形状的无规则变化和起伏不平，造成其与附着基表面接触的不平整，从而使外沿富氧区成为氧浓差电池的阴极减轻腐蚀，而内沿贫氧区则构成腐蚀电池的阳极而促进腐蚀，导致局部腐蚀现象的发生【14一蚓。

铝合金在海水中的腐蚀率通常很低，其耐蚀性主要以点蚀、缝隙腐蚀数据来评价。牡蛎等大型污损生物的附着会引发局部腐蚀，且多在牡蛎覆盖层下方及边缘产生较深的缝隙腐蚀[16]。

1．3苔藓虫

苔藓虫是被覆在各种附着基上或以某种特有的构造附着形成直立分枝、成体皆终生营附着生活方式的群体生物，每一群体都是由成百上千个称之为个虫的个体构成，但其不能单独执行生活功能，群体才是其生存单位[17]。

苔藓虫群体的结构比较疏松，通透性较好，阻挡海水溶解氧向金属表面扩散的作用明显不如藤壶覆盖层；另外，附着部位与附着基的衔合比较平整，不会产生较明显的局部腐蚀现象。因此，其覆盖层的腐蚀率大于藤壶而小于牡蛎【14J。

1．4蜾赢蜚

蜾赢蜚为穴居端足类，通过黏液与海水中的泥土及其他有机物质协同作用形成革质管，附着于海藻、水螅或其他物体上(18】。大量附着时革质管可连成一片，在附着基表面形成一层具保护作用的覆盖物，降低金属材料的腐蚀速率【14J。

1．5大型藻类

大型藻类的附着一方面会因光合作用而使金属表面局部含氧量增加，导致海水介质中主要受氧扩散控制的腐蚀加快；另一方面由于其附着器官以及泥沙、残渣和碎屑等形成的覆盖层在一定程度可阻挡海流的直接冲刷，同时阻碍海水中的溶解氧向金属表面扩散传递，从而导致腐蚀速度相应减缓。因此，被藻类附着的金属腐蚀行为取决于上述因素综合作用的结果【14J。

2作用机理

金属材料被污损生物附着后，即由敞开体系的海水腐蚀变成封闭和半封闭体系的腐蚀，腐蚀体系也从“海水／金属材料”转变为“海水／污损生物层／金

属材料”，腐蚀过程由氧扩散控制进入非氧控制阶段[19]。

碳钢的均匀腐蚀速度直接与氧浓度有关，当氧充足时腐蚀速度增加，含量低时则下降E20]。有关研究表明，海水环境中普碳钢自然腐蚀电位随着网纹藤壶覆盖面积增大而正移，但腐蚀速度则有所下降[2lI。

在生物覆盖层比较疏松和较不完整的情况下，腐蚀过程仍然受氧的阴极去极化控制，而当形成致密且完整的覆盖层时，则腐蚀过程的控制步骤可能就转变为厌氧环境下厌氧细菌的阴极去极化控制[21]。

对于组织结构比较疏松、通透性较好的苔藓虫群落，其阻挡海水溶解氧向金属表面扩散的作用较差，再加上附着部位与附着基的结合衔接比较平整，故不会产生较明显的局部腐蚀现象【14J。

大型硬壳生物下腐蚀轻微，表面较平整，因为硫酸盐还原菌活性和氧含量均很低，腐蚀速率低；而疏松的橘红色锈层覆盖下的钢／锈面，硫酸盐还原菌活性高且有一定的氧含量，腐蚀速率较高[22]。

死亡藤壶底部的金属腐蚀与好氧细菌分解作用导致壳内环境的pH值下降，酸性产物通过损坏的底板经辐射管传递到底盘边缘有关；至于底盘中央的蚀孔，则与厌氧活动有关【23l。

3结语与讨论

金属材料的腐蚀行为除了受海洋环境中理化因子的影响和制约外，生物污损也是一个极为关键的要素，而且其与材料特性、污损生物类群和附着污损状况等因素密切相关。

基于海洋污损生物的种类繁多，涉及门类广，形态差异大，附着方式和黏附机理也各不相同，再加上金属材料表面的生物污损还会存在疏密不一和覆盖状况的差异，故对材料腐蚀的影响极为复杂。

从生物学角度来看，大型藻类分属绿藻、褐藻和红藻，其栖息环境和发育机制差异较大；而苔藓虫也有直立型和被覆型之分，附着方式和覆盖状况明显不同；至于藤壶，其附着底盘还有膜质和钙质之分，对附着基产生的影响可能也有所不同。因此，分门别类系统地开展进一步的研究极为必要。

不同于牡蛎，贻贝、扇贝和珍珠贝等双壳类软体动物的贝壳不直接黏附在附着基上，而是借助足丝固着。尽管紫贻贝和珍珠贝分别是温带和热带海域重要的污损生物种类[3,24]，但目前仍未就它们与金属腐蚀之间关系展开专题研究。

以华美盘管虫和内刺盘管虫为代表的管栖多毛